曹欲曉，韓 磊

(南京工程學(xué)院 計算機工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個必然趨勢。在目前的技術(shù)條件下，越來越多的嵌入式系統(tǒng)選擇了TCP/IP作為與其他計算機系統(tǒng)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)研究與應(yīng)用中的一個重要領(lǐng)域。

由于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源都較為有限，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中運行的TCP/IP協(xié)議棧均根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點進行了相應(yīng)的裁剪。目前應(yīng)用比較廣泛的嵌入式TCP/IP 協(xié) 議 棧 有 ：ucTCP-IP、LWIP、uIP、Linux TCP/IP等。其中uIP是專為8 bit和16 bit的嵌入式微控制器設(shè)計的微型TCP/IP協(xié)議棧，它具有良好的互操作性，并遵循RFC標(biāo)準(zhǔn)。uIP協(xié)議棧的特點是具有很小的代碼量，運行時需要的內(nèi)存很少，實現(xiàn)了常用的TCP/IP協(xié)議；代碼注釋詳盡，可以用于商業(yè)或非商業(yè)用途[1]。由于具有上述特點，uIP被廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中。

1 uIP協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

在使用uIP的嵌入式系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)中，uIP協(xié)議棧相當(dāng)于一個代碼庫，它通過一系列的函數(shù)實現(xiàn)與底層硬件和上層應(yīng)用程序的通信。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和上層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖1所示[2]。

圖1 uIP協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

從圖 1可以看出，uIP協(xié)議棧主要提供了uip_input()和uip_periodic()2個函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用。uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL()和UIP_UDP_APPCALL()。

uIP初始化時調(diào)用uip_init()函數(shù)，它的主要功能是初始化協(xié)議棧的監(jiān)聽端口，并把所有連接設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片驅(qū)動程序接收到一個數(shù)據(jù)包時，驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)包放入全局緩沖區(qū)uip_buf中，同時把包的大小賦給全局變量uip_len。然后uIP的主控部分調(diào)用uip_input()函數(shù)，該函數(shù)將會根據(jù)數(shù)據(jù)包首部的協(xié)議標(biāo)識處理這個包，并在需要時調(diào)用上層應(yīng)用程序。當(dāng)uip_input()返回時，一個輸出數(shù)據(jù)包被放在同一個全局緩沖區(qū)uip_buf中，其大小賦給uip_len。如果uip_len是0，則說明沒有包要發(fā)送，否則主控部分調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上[3]。

uIP周期計時用于驅(qū)動所有的uIP內(nèi)部時鐘事件。當(dāng)周期計時激發(fā)后，每一個TCP連接都會調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic()。 類似于 uip_input()函數(shù)，uip_periodic()函數(shù)返回時，輸出的IP包要放到uip_buf中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len的大小以決定是否發(fā)送。

由于使用TCP/IP的應(yīng)用很多，因此應(yīng)用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)。uIP提供一系列接口供用戶程序調(diào)用，其中大部分接口是作為C的宏命令出現(xiàn)的，之所以這樣做主要是考慮到速度、代碼大小、效率和堆棧的使用。用戶需要把對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理函數(shù)作為接口提供給uIP，并將這個函數(shù)定義為宏UIP_APPCALL()或者 UIP_UDP_APPCALL()。UIP_APPCALL()是用戶對 TCP數(shù)據(jù)包的處理，UIP_UDP_APPCALL()是用戶對 UDP數(shù)據(jù)包的處理[4]。這樣，uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方，直接調(diào)用UIP_APPCALL()或者 UIP_UDP_APPCALL()即可，無需修改uIP。

2 uIP的UDP協(xié)議分析

2.1 UDP協(xié)議的實現(xiàn)

當(dāng)uIP接收到一個UDP數(shù)據(jù)包后，首先從包頭中取出數(shù)據(jù)的長度，然后重新對包進行校驗，如果校驗和不對，則直接丟掉這個包。如果校驗無誤，則對收到的包進行解復(fù)用。此時進行如下判斷：

上述代碼中用到的主要變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)的含義是：

在uIP的實現(xiàn)中，如果以上判斷語句為真，則對接收到的數(shù)據(jù)包進行處理，處理過程包括調(diào)用用戶上層處理程序 UIP_UDP_APPCALL()、構(gòu)造新包的包頭、計算新包的校驗和等，然后將構(gòu)造好的返回UDP包送到IP層進行處理。

2.2 UDP實現(xiàn)的不足

通過對uIP中UDP協(xié)議實現(xiàn)過程的分析可以發(fā)現(xiàn)，uIP沒有提供初始化指定端口的函數(shù)，僅提供了一個對給定IP地址上給定端口建立UDP連接的函數(shù)，其原型是struct uip_udp_conn*uip_udp_new(uip_ipaddr_t*ripaddr，u16_t rport)。由于作為服務(wù)端運行時必須指定監(jiān)聽端口[5]，而 uIP沒有提供此功能，因此要讓uIP作為服務(wù)端運行，必須對uIP進行改進。

3 uIP中UDP協(xié)議的改進

3.1 增加初始化UDP服務(wù)端口

UDP協(xié)議作為服務(wù)端運行時，同TCP一樣，必須在某個指定端口上監(jiān)聽客戶端是否有數(shù)據(jù)包發(fā)送，如果有則還要接收數(shù)據(jù)包，這就要求在uIP記錄UDP連接的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)uip_udp_conn中設(shè)置本地端口號一項，具體實現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖2 UDP服務(wù)端口初始化

3.2 IP地址、端口號的判斷及匹配

uip_process函數(shù)接收到網(wǎng)絡(luò)控制芯片驅(qū)動程序送來的數(shù)據(jù)包后，當(dāng)判斷出收到的包是UDP包，執(zhí)行2.1中的判斷并且得到結(jié)果為真后，但還需要再做以下工作：如果uip_udp_conn中的目的端口號為0，則說明這是一個來自客戶端的首次與服務(wù)端進行通信的數(shù)據(jù)包，服務(wù)端尚不知道此客戶端的源端口，因此要把uip_udp_conn中的目的端口號設(shè)為收到的包中的源端口號，把uip_udp_conn中的目的IP地址設(shè)為收到的包中的源IP地址，具體代碼如下：

3.3 UDP服務(wù)端目的端口的釋放

UDP服務(wù)端的端口應(yīng)該可以為來自多個客戶端的請求提供服務(wù)，而UDP本身是一種無連接的傳輸層協(xié)議，因此在每次uIP作為服務(wù)端的UDP通信結(jié)束之后，還要釋放uip_udp_conn中記錄的目的端口號，以便下次接收來自不同IP、不同端口的新請求，否則當(dāng)來自其他端口的請求到達時，uIP會不予響應(yīng)。

在uIP的官方網(wǎng)站上下載到uIP 1.0的源代碼之后，按照本文給出的幾個步驟對uIP 1.0進行改造之后，利用gcc編譯器把uIP 1.0編譯成S3C2410上的可執(zhí)行代碼，把基于S3C2410的開發(fā)板作為UDP服務(wù)器，運行Windows XP的PC機作為客戶端，兩者通過一條交叉網(wǎng)線相聯(lián)，在PC機上的測試程序發(fā)出UDP請求后，運行在S3C2410上的uIP可以對PC通過UDP協(xié)議發(fā)出的數(shù)據(jù)進行處理，并給PC作出正確的回復(fù)。實驗證明，通過對uIP進行本文所述的改進之后，uIP具有了作為UDP服務(wù)端的能力。

[1]http：//www.sics.se/～adam/uip/index.php/Main_Page.

[2]ADAM D.The uIP embedded TCP/IP stack the uIP 1.0 reference manual.June 2006.

[3]ADAM D.Full TCP/IP for 8-bit architectures[C].In Proceedings of the First International Conference on Mobile Applications，Systems and Services(MOBISYS 2003)， San Francisco， May 2003.

[4]ADAM D， OLIVER S， THIEMO V， et al.Protothreads：simplifying event-driven programming of memory-constrained embedded systems[C].In Proceedings of the Fourth ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys 2006)， Boulder， Colorado， USA， November 2006.

[5]FOROUZAN B A，F(xiàn)EGAN S C著.TCP/ZP協(xié)議簇 [M].謝希仁等，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006.